CN102324443A - 一种倒装三结InGaN太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倒装三结InGaN太阳能电池，包括一衬底，其下依次为GaN成核层、GaN缓冲层、三结InGaN电池和之间的隧道结、半透明电流扩展层，半透明电流扩展层下的正电极和第一InGaN电池下的负电极；半透明电流扩展层和第三InGaN电池之间置有帽层，正、负电极通过金属凸点键合于蒸镀有反射层的载体上。本发明采用倒装结构三结太阳能电池以及InGaN材料生长过程之后的高掺杂层作帽层、金属凸点和载体，充分吸收了太阳光谱，外量子效率超过70%，提高了光电转换效率，延长了电池的使用寿命，加强了电池工作的稳定性，并可作为完整的电池直接应用。

Description

一种倒装三结InGaN太阳能电池

技术领域

 本发明属于太阳能电池结构技术领域，特别是涉及一种倒装三结InGaN太阳能电池。

背景技术

公知的能源都是不可再生的，经过多年的开采之后，这些能源的储量都在一天天地减少，而且使用后会造成严重的环境问题，于是人们对太阳能这种取之不尽用之不竭的绿色能源越来越重视，长期以来，都在孜孜不倦地寻找高转换效率的材料。近年来，以GaN及InGaN，AlGaN为代表的第三代半导体材料——Ⅲ族氮化物是人们研究的热点，它主要应用于光电器件和高温、高频、大功率器件。2002年的研究结果表明，InN的禁带宽度不是之前报道的1.89eV而是0.7eV，这就意味着通过调节InGaN材料中In组分，可使其禁带宽度从3.4eV（GaN）到0.7eV（InN）连续可调，也就是其对应吸收光谱的波长从紫外部分（365nm）可以一直延伸到近红外部分（1770nm），几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，除此之外，还有吸收系数高、电子迁移率高、抗辐射能力强等优点，于是InGaN材料在太阳能电池领域中的应用引起了人们的密切关注。

InGaN太阳能电池的发展趋势是制作多结串联太阳能电池,这是由于其禁带宽度在太阳光谱的最主要范围内是连续可调的，很容易得到与最大理论转换效率相对应带隙的材料，而且当电池结数增加到更多时，这个优势会更明显。理论计算表明，InGaN双结和三结太阳能电池的最高理论转换效率均高于目前已有传统材料的太阳能电池,例如GaInP/GaAs双结电池，GaInP/GaAs/Ge三结电池的理论值。但是在实际生长过程中不能像传统材料那样正向生长，这是由于InGaN材料的生长温度随着In含量的减少而增加，若按正向生长的方法会发生扩散，从而影响太阳能电池的性能，于是反向生长并倒装的方法使InGaN多结串联太阳能电池成为可能。

经过检索发现专利号为200710120608.8，名称为：倒装双结铟镓氮太阳能电池结构的发明专利，结构包括一衬底，其上依次为一低温氮化镓成核层，一非有意掺杂氮化镓缓冲层，一n型掺杂 In_aGa_1-aN 层，一 p型掺杂 In_aGa_1-aN层、一p 型重掺杂 In_bGa_1-bN层、一n 型重掺杂 In_bGa_1-bN层、一n型掺杂 In_cGa_1-cN 层，一 p型掺杂In_cGa_1-cN层。目前公认的理论转换效率为41.3%，该发明专利理论转换效率为50%，但上述技术方案相对三结或三结以上电池效率偏低，而且描述至InGaN材料的生长过程，无法作为完整的太阳能电池直接应用， InGaN材料生长过程之后的制作将对太阳能电池的性能产生很大影响。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题提出一种外量子效率高、光电转换效率高、使用寿命长、电池工作稳定性高，并可作为完整的电池直接应用的倒装三结InGaN太阳能电池。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种倒装三结InGaN太阳能电池，包括一衬底，其下依次为GaN成核层、GaN缓冲层、三结InGaN电池和之间的隧道结、半透明电流扩展层，蒸镀于半透明电流扩展层下的正电极，其特点是：所述三结InGaN电池和隧道自上至下依次为第一InGaN电池、第一隧道结、第二InGaN电池、第二隧道结、第三InGaN电池，第一InGaN电池下蒸镀有负电极；所述半透明电流扩展层和第三InGaN电池之间置有帽层，所述正电极和负电极通过金属凸点键合于蒸镀有反射层的载体上。

本发明还可以采取如下技术方案：

所述第一InGaN电池包括Si掺杂的n-In_aGa_1-aN层和Mg掺杂的p-In_aGa_1-aN层，其中0.45≤a≤0.65，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；所述第二InGaN电池包括Si掺杂的n-In_bGa_1-bN层和Mg掺杂的p-In_bGa_1-bN层，其中0.65≤b≤0.85，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；所述第三InGaN电池包括Si掺杂的n-In_cGa_1-cN层和Mg掺杂的p-In_cGa_1-cN层，其中0.85≤c≤1，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm。

所述第一隧道结包括Si掺杂的n⁺-In_aGa_1-aN层和Mg掺杂的p⁺-In_aGa_1-aN层，其中0.45≤a≤0.65，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-50nm；所述第二隧道结，包括Si掺杂的n⁺-In_bGa_1-bN层和Mg掺杂的p⁺-In_bGa_1-bN层，其中0.65≤b≤0.85，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-50nm。

所述帽层为Mg掺杂的p⁺-In_cGa_1-cN，其中0.85≤c≤1，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-100nm。

所述载体为Si，所述反射层为Al层和SiO₂层。

所述半透明电流扩展层为ITO膜。

所述负电极自上至下为厚度10/30/10/200nm 的Ti/Al/Ti/Au，其中上层Ti蒸镀于第一InGaN电池Si掺杂的n⁺-In_aGa_1-aN层下。

所述正电极自上至下为厚度30nm 的Ni和厚度80nm的Au。

所述金属凸点材料为Au。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明采用倒装结构三结太阳能电池以及InGaN材料生长过程之后的制作，充分吸收了太阳光谱，外量子效率超过70%，理论转换效率可达到55%以上，并可作为完整的电池直接应用。 

2、本发明采用高掺杂层作为帽层，有利于实现欧姆接触，加之蒸镀半透明电流扩展层，进一步加强了对载流子的收集，从而提高电池的转换效率。

3、本发明采用金属凸点和起机械支撑作用的载体，提高了电池的机械强度，提升了键合成功的几率，从而延长了电池的使用寿命，加强了电池工作的稳定性。

附图说明

图1为本发明一种倒装三结InGaN太阳能电池结构示意图。

图2为本发明第一次光刻后的俯视示意图；

图3为本发明第二次光刻后的俯视示意图。

图中：1、衬底；2、GaN成核层；3、GaN缓冲层；4、第一InGaN电池；5、第一隧道结；6、第二InGaN电池；7、第二隧道结；8、第三InGaN电池；9、帽层；10、半透明电流扩展层；11、正电极；12、负电极；13、金属凸点；14、反射层；15、载体；16、蚀刻区；17、保护区；18、正电极区域；19、负电极区域。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

参阅附图1-图3。

一种倒装三结InGaN太阳能电池，包括一衬底，其下依次为GaN成核层、GaN缓冲层、三结InGaN电池和之间的隧道结、半透明电流扩展层，蒸镀于半透明电流扩展层下的正电极，其特点是：所述三结InGaN电池和隧道自上至下依次为第一InGaN电池、第一隧道结、第二InGaN电池、第二隧道结、第三InGaN电池，第一InGaN电池下蒸镀有负电极；所述半透明电流扩展层和第三InGaN电池之间置有帽层，所述正电极和负电极通过金属凸点键合于蒸镀有反射层的载体上。其制作过程为：

选用Si作为载体15，采用公知的蒸镀工艺在载体上先蒸镀一层厚度200nm的Al，再蒸镀一层厚度80nm的SiO₂，形成图1中所示的反射层14；

采用MOCVD即金属有机化学气相沉积技术在蓝宝石衬底1上面依次生长GaN成核层2、 GaN缓冲层3、第一InGaN电池4、第一隧道结5、第二InGaN电池6、第二隧道结7、第三InGaN电池8、帽层9，具体制作过程为：

GaN成核层，生长温度为500–650℃，厚度范围为10-40nm，本层可增加衬底表面的成核密度；

GaN缓冲层，生长温度为950–1100℃，厚度范围为1-3μm，本层可减少外延层的缺陷密度，从而提高晶体质量；

第一InGaN电池，包括Si掺杂的n-In_aGa_1-aN层和Mg掺杂的p-In_aGa_1-aN层，其中0.45≤a≤0.65，生长温度为600–1000℃，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；

第一隧道结，包括Si掺杂的n⁺-In_aGa_1-aN层和Mg掺杂的p⁺-In_aGa_1-aN层，其中0.45≤a≤0.65，生长温度为600–1000℃，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-50nm；

第二InGaN电池，包括Si掺杂的n-In_bGa_1-bN层和Mg掺杂的p-In_bGa_1-bN层，其中0.65≤b≤0.85，生长温度为600–1000℃，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；

第二隧道结，包括Si掺杂的n⁺-In_bGa_1-bN层和Mg掺杂的p⁺-In_bGa_1-bN层，其中0.65≤b≤0.85，生长温度为600–1000℃，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-50nm；

第三InGaN电池，包括Si掺杂的n-In_cGa_1-cN层和Mg掺杂的p-In_cGa_1-cN层，其中0.85≤c≤1，生长温度为600–1000℃，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；

帽层为Mg掺杂的p⁺-In_cGa_1-cN，其中0.85≤c≤1，生长温度为600–1000℃，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-100nm。

上述各层材料生长之后，总时间为5-7小时，在帽层上蒸镀ITO膜作为半透明电流扩展层10，再依次进行第一次光刻、干法蚀刻、第二次光刻、蒸镀正电极11和负电极12，构成太阳电池器件，然后将太阳电池器件倒置，键合到蒸镀有反射层的载体15上，制作过程如下：

蒸镀ITO：采用公知的蒸镀工艺蒸镀ITO膜。为保持ITO薄膜的化学比不失衡，蒸镀时真空度为10^-4Pa以下，同时通流量约为3.5sccm的氧气，蒸镀时间为1.5-2.5小时，形成厚度100-300nm半透明电流扩展层，之后放置在450℃的N₂环境下，退火15分钟；

第一次光刻：采用公知的光刻工艺，光刻出图2所示的保护区17和蚀刻区16；

干法蚀刻：采用公知的干法蚀刻工艺，去掉蚀刻区的半透明电流扩展层、帽层、第三InGaN电池、第二隧道结电池、第二InGaN电池、第一隧道结、第一InGaN电池的p-In_aGa_1-aN层；

第二次光刻：采用公知的光刻工艺，在保护区的半透明电流扩展层上刻出图3所示的正电极区域18，在蚀刻区第一InGaN电池的n-In_aGa_1-aN层上刻出图3所示的负电极区域19；

蒸镀正电极：采用公知的蒸镀工艺在正电极区域先蒸镀一层厚度30nm 的Ni，再蒸镀一层厚度80nm的Au，共蒸镀1.5-2.5小时，形成图1所示的正电极；蒸镀时的真空度为10^-4Pa以下，最后在500℃的N₂环境下，退火1分钟；

蒸镀负电极：采用公知的蒸镀工艺在负电极区域依次蒸镀厚度为10/30/10/200nm 的Ti/Al/Ti/Au，共蒸镀1.5-2.5小时，形成图1所示的负电极；蒸镀时的真空度要为10^-4Pa以下，最后在800℃的N₂环境下，退火3分钟，构成太阳电池器件。

键合：采用公知的磁控溅射方法在载体的反射层上溅射两点Au作为金属凸点13，然后将制作出的太阳电池器件倒置，并将其正电极和负电极对准金属凸点，采用公知的键合工艺在100-800℃和1.5-3.5个大气压下键合10-40分钟。

通过以上步骤的实施，完成本发明倒装三结InGaN太阳能电池的制作过程。

以上是对本发明一具体实施例的详细描述，对本案保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方法，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1. 一种倒装三结InGaN太阳能电池，包括一衬底，其下依次为GaN成核层、GaN缓冲层、三结InGaN电池和之间的隧道结、半透明电流扩展层，蒸镀于半透明电流扩展层下的正电极，其特征在于：所述三结InGaN电池和隧道自上至下依次为第一InGaN电池、第一隧道结、第二InGaN电池、第二隧道结、第三InGaN电池，第一InGaN电池下蒸镀有负电极；所述半透明电流扩展层和第三InGaN电池之间置有帽层，所述正电极和负电极通过金属凸点键合于蒸镀有反射层的载体上。

2.根据权利要求1所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述第一InGaN电池包括Si掺杂的n-In_aGa_1-aN层和Mg掺杂的p-In_aGa_1-aN层，其中0.45≤a≤0.65，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；所述第二InGaN电池包括Si掺杂的n-In_bGa_1-bN层和Mg掺杂的p-In_bGa_1-bN层，其中0.65≤b≤0.85，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm；所述第三InGaN电池包括Si掺杂的n-In_cGa_1-cN层和Mg掺杂的p-In_cGa_1-cN层，其中0.85≤c≤1，掺杂浓度为1×10¹⁷-1×10¹⁹cm^-3，厚度范围为100nm-300nm。

3.根据权利要求1所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述第一隧道结包括Si掺杂的n⁺-In_aGa_1-aN层和Mg掺杂的p⁺-In_aGa_1-aN层，其中0.45≤a≤0.65，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-50nm；所述第二隧道结，包括Si掺杂的n⁺-In_bGa_1-bN层和Mg掺杂的p⁺-In_bGa_1-bN层，其中0.65≤b≤0.85，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-50nm。

4.根据权利要求1所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述帽层为Mg掺杂的p⁺-In_cGa_1-cN，其中0.85≤c≤1，掺杂浓度为1×10¹⁹-1×10²⁰cm^-3，厚度范围为10nm-100nm。

5.根据权利要求1所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述载体为Si，所述反射层为Al层和SiO₂层。

6.根据权利要求1所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述半透明电流扩展层为ITO膜。

7.根据权利要求1或2所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述负电极自上至下为厚度10/30/10/200nm 的Ti/Al/Ti/Au，其中上层Ti蒸镀于第一InGaN电池Si掺杂的n⁺-In_aGa_1-aN层下。

8.根据权利要求1或2所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述正电极自上至下为厚度30nm 的Ni和厚度80nm的Au。

9.根据权利要求1或2所述倒装三结InGaN太阳能电池，其特征在于：所述金属凸点材料为Au。

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